JP6014528B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、燃料電池スタックに関する。 Embodiments described herein relate generally to a fuel cell stack.
電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタックは、電解質膜を燃料極と酸化剤極で狭持した膜電極複合体(MEA)の両面に、ガス流通路を設けた電気伝導性のセパレータを配置して単セル電池を構成し、この単セル電池を複数積層した積層体の両端をエンドプレートで保持し、両エンドプレートを貫通した孔に複数のスタッドを通し、スプリングを介して積層体を締め付けることにより構成されている。 The fuel cell stack using a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity as an electrolyte is provided with gas flow passages on both sides of a membrane electrode assembly (MEA) in which the electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode. A single-cell battery is configured by arranging an electrically conductive separator, and both ends of a laminate in which a plurality of single-cell batteries are stacked are held by end plates, and a plurality of studs are passed through holes that penetrate both end plates, and springs are formed. It is comprised by fastening a laminated body via.
このような燃料電池スタックの各単セル電池には、反応に必要な燃料(水素)並びに酸化剤(空気)、及び冷却に必要な冷却水を均等に供給する必要があり、これら反応ガス・冷却水を燃料電池スタックに分配し、かつ回収するマニホールドが設けられている。 It is necessary to uniformly supply fuel (hydrogen) and oxidant (air) necessary for the reaction and cooling water necessary for cooling to each single cell battery of such a fuel cell stack. A manifold is provided for distributing and recovering water to the fuel cell stack.
燃料電池スタックにマニホールドを設ける方式には内部マニホールド方式と外部マニホールド方式があるが、外部マニホールド方式では、セパレータに設けたガス流通路をセパレータ端部まで延長して積層体側面に開口させ、別体の外部マニホールドを積層体の両側側面に配置して、それらを通して反応ガス・冷却水を流通させている。 There are two types of manifolds in the fuel cell stack: an internal manifold system and an external manifold system. In the external manifold system, the gas flow path provided in the separator is extended to the end of the separator and opened to the side of the stack, and separated. The external manifold is arranged on both side surfaces of the laminate, and the reaction gas and cooling water are circulated through them.
このように、外部マニホールド方式は、セパレータがマニホールドを含まないため、セパレータは膜電極複合体の有効面積と同等の大きさとなり、セパレータをコンパクトにすることができ、コストダウンに有利である。また外部マニホールドには絶縁性の安価なプラスチックを用いることが可能であるので、コストアップを最小限に抑えることができる。また、マニホールドの容積もセパレータの大きさの制約を受けずに設定可能であり、積層体を構成する各単セル電池のガス・冷却水流通路に、均一にガスや冷却水を分配することが可能である。 Thus, in the external manifold system, since the separator does not include a manifold, the separator has the same size as the effective area of the membrane electrode assembly, and the separator can be made compact, which is advantageous for cost reduction. Further, since it is possible to use an inexpensive insulating plastic for the external manifold, the cost increase can be minimized. In addition, the volume of the manifold can be set without being restricted by the size of the separator, and gas and cooling water can be evenly distributed to the gas / cooling water flow passages of each single cell battery constituting the laminate. It is.
外部マニホールド方式では、マニホールドと積層体側面の間から液体(冷却水)およびガス(燃料ガス、酸化剤ガス)が漏れないようにシールすることが必要であり、このシールは、通常、マニホールドの周縁部と積層体側面との間にシール部材を配置することなどで行われている。しかし、積層体のコーナー部分には、このシール部材の外側となる領域が存在し、その領域では、液体およびガスはマニホールドと積層体との間のシールおよび積層体を構成するセル間のシールで遮断されているだけであり、シールは不十分である。即ち、この領域では、発電運転中の液体およびガスのリークをある許容値以内に抑制することはできるが、例えば長時間電池スタック内に水を保持した場合など、その水圧および浸透力により微小の水がリークするという問題がある。 In the external manifold system, it is necessary to seal so that liquid (cooling water) and gas (fuel gas, oxidant gas) do not leak from between the manifold and the side of the laminate. For example, a sealing member is disposed between the portion and the side surface of the laminated body. However, there is an area outside the seal member at the corner of the laminate, in which liquid and gas are sealed between the manifold and the laminate and between the cells that make up the laminate. It is only shut off and the seal is insufficient. That is, in this region, the leakage of liquid and gas during the power generation operation can be suppressed within a certain allowable value, but, for example, when water is held in the battery stack for a long time, the water pressure and osmotic force cause a minute amount. There is a problem that water leaks.
特に、電池スタックを水パージすることにより劣化を防ぎ、ガス出入口の制御バルブを簡略化した構成では、電池スタックを燃料電池システムのパッケージ内において下側に配置する必要があり、電池スタックからの水リークをゼロに抑える必要がある。 In particular, in a configuration in which the battery stack is purged with water to prevent deterioration and the gas inlet / outlet control valve is simplified, the battery stack needs to be disposed in the lower side in the package of the fuel cell system. It is necessary to suppress the leak to zero.
本発明が解決しようとする課題は、運転時の液体やガスだけでなく、停止保管中の電池スタック内の水の微小の滲み出しも防ぐことができる外部マニホールドのシール構造を備える燃料電池スタックを提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell stack having a seal structure of an external manifold that can prevent not only liquid and gas during operation but also minute oozing of water in the battery stack during stopped storage. It is to provide.
実施形態によれば、固体高分子電解質膜を第1及び第2のガス拡散電極で挟持してなる膜電極複合体と、前記第1のガス拡散電極に接する燃料ガス流通路を有する第1のセパレータと、前記第2のガス拡散電極に接する酸化剤ガス流通路を有する第2のセパレータとを備える単位電池を複数個積層してなる積層体、前記積層体の前記燃料ガス流通路が開口する側面に配置され、前記燃料ガス流通路に連通する燃料ガス外部マニホールド、及び前記積層体の前記酸化剤ガス流通路が開口する側面に配置され、前記酸化剤ガス流通路に連通する酸化剤ガス外部マニホールドを具備し、前記燃料ガス外部マニホールドと前記積層体とは燃料ガス外部マニホールド側第1のシール部材によりシールされ及び酸化剤ガス外部マニホールドと前記積層体とは酸化剤ガス外部マニホールド側第1のシール部材によりシールされ、前記隣接する燃料ガス外部マニホールドと酸化剤ガス外部マニホールドとは第2のシール部材によりシールされている。 According to the embodiment, the first electrode has a membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between first and second gas diffusion electrodes, and a fuel gas flow passage in contact with the first gas diffusion electrode. A laminate comprising a plurality of unit cells each including a separator and a second separator having an oxidant gas flow passage in contact with the second gas diffusion electrode, and the fuel gas flow passage of the laminate is opened. A fuel gas external manifold that is disposed on a side surface and communicates with the fuel gas flow passage, and an oxidant gas exterior that is disposed on a side surface where the oxidant gas flow passage of the laminate is open and communicates with the oxidant gas flow passage. comprising a manifold, and the fuel gas external manifolds and the stack is sealed by the first sealing member fuel gas outer manifold side and the oxidizing gas outer manifold and the laminate It sealed by the first sealing member oxidant gas external manifold side, wherein the adjacent fuel gas outer manifold and the oxidant gas external manifold is sealed by the second sealing member.
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の内部構造を示す上面図、図2は、図1に示す固体高分子型燃料電池を構成する燃料電池スタック10のA−A’断面図である。図1及び図2において、燃料電池スタック10の個々の単セル電池11は、膜・電極複合体(MEA)12、燃料セパレータ13、及び酸化剤・冷却水セパレータ14により構成されている。燃料セパレータ13の表面には燃料ガス流通路13aが設けられており、その端部は燃料電池スタック10の側面に開口している。酸化剤・冷却水セパレータ14の一方の表面には酸化剤ガス流通路14aが、もう一方の表面には冷却水流通路14bが設けられており、それらの端部は燃料電池スタック10の側面に開口している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a top view showing the internal structure of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment, and FIG. 2 is an AA view of a
単セル電池11を複数個積層されて構成される燃料電池スタック10の外部側面には、酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド21、酸化剤ガス出口・冷却水入口マニホールド22、燃料ガス入口マニホールド31、燃料ガス出口マニホールド32が配置されている。酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド21及び酸化剤ガス出口・冷却水入口マニホールド22は、酸化剤ガス流通路14a及び冷却水流通路14bと連通し、燃料ガス入口マニホールド31及び燃料ガス出口マニホールド32は、燃料ガス流通路13aと連通していて、反応に必要な燃料・酸化剤ガスを膜電極複合体に供給し、排出し、所定の流量の冷却水を供給して、反応に伴う発熱の除去を行う。
An oxidant gas inlet / cooling
各マニホールド21,22,31,32は、ガス不透過性と電気絶縁性を有することが必要であり、通常、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂を金型により圧縮成形もしくはインジェクション成形することにより製造される。これに用いる熱可塑性樹脂としてはポリフェニレンサルファイド(PPS)、熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂やフェノール樹脂などが挙げられる。各マニホールドは、積層体側を開口部とした箱状の形状を有し、マニホールドの側面および内面に燃料電池スタック10側からマニホールド底面に向かって抜きテーパが設けられ、それによって金型からの離型性が確保されている。
Each of the
燃料電池スタック10の側面に接するマニホールドの周縁部のシール面には、断面が矩形のシール溝が周縁部全周にわたって設けられている。シール溝にはシール材が挿入されており、これによってガス/冷却水のリークを防いでいる。
A seal groove with a rectangular cross section is provided over the entire periphery of the peripheral edge of the manifold in contact with the side surface of the
図2に示すように、膜・電極複合体(MEA)12は、高分子電解質膜41の両側にアノード触媒層42a及びカソード触媒層43aを配置し、さらにそれらの外側にガス拡散層42b,43bを配置して構成される。電解質膜41は、イオン伝導性とともにガスバリア性を有することが必要であり、反応ガスの混合を防ぐため、燃料セパレータ13及び酸化剤・冷却水セパレータ14と同じ大きさまで延長されている。
As shown in FIG. 2, in the membrane / electrode assembly (MEA) 12, an
触媒層42a,43aは、燃料セパレータ13及び酸化剤・冷却水セパレータ14や電解質膜41よりも一回り小さく、その周囲(セパレータ13,14と電解質膜41との間の空隙)には反応ガスをシールするエッジシール材51が配置されている。エッジシール材51は、ガス流通路の端部と同じ位置に配置されている。一方、燃料ガスマニホールド31,32の開口部は破線で示された位置にあり、ガス流通路よりも内側に位置している。
The
図3に、燃料電池スタック10と、例えば酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド21との間のマニホールドシール部の拡大図を示す。燃料電池スタック10の外部側面にマニホールド、例えば酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド21が配置されており、マニホールド21のシール溝21a内にマニホールドシール61が配置されている。マニホールドシール61は断面が円形もしくは楕円のOリング状であり、シリコンゴム、フッ素ゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)などのゴム材料を金型により圧縮成形あるいはインジェクション成形することにより製造される。
FIG. 3 shows an enlarged view of a manifold seal portion between the
図3(a)はマニホールド21に荷重をかける前の状態を示す。マニホールドシール61には荷重がかかっておらず、断面形状は楕円のままである。マニホールドシール61の高さ(Oリングの幅)はマニホールドシール溝21aの深さより大きく設定されている。図3(b)はマニホールド21に荷重をかけた後の状態を示す。荷重によりシール61が縮み、上下の接触面にシール圧がかかり、ガス/冷却水が確実にシールされる。
FIG. 3A shows a state before a load is applied to the
図1に示すように、マニホールドシール溝およびマニホールドシールからなるシール部材は、燃料電池スタック10の側面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22及び燃料ガスマニホールド31,32との間に加え、燃料ガスマニホールド31,32のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側面との間にも設けられている。その拡大図を図4に示す。図4に示すように、燃料ガスマニホールド31と燃料電池スタック10の側面との間のシール面には、シール溝33a及びその中に配置されたシール62aが設けられているが、その上方の酸化剤ガス・冷却水マニホールド21との間のシール面には、シール溝33bが設けられ、その中にシール62bが配置されている。即ち、燃料ガスマニホールド31と燃料電池スタック10の側面との間に、シール溝33a及びシール62aからなる第1のシール部材が設けられ、燃料ガスマニホールド31と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21との間に、シール溝33b及びシール62bからなる第2のシール部材が設けられている。
As shown in FIG. 1, the seal member including the manifold seal groove and the manifold seal is provided between the side surface of the
燃料電池スタック10の側面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22及び燃料ガスマニホールド31,32との間においては、図3に示すようなシール(第1のシール部材)により液体およびガスは許容値以下にシールされるが、シールの外側に露出するコーナー部からの微小リークは防ぐことができない。これに対し、燃料ガスマニホールド31,32のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,32の側面との間においても、シール溝33bを設け、その中にシール62bを配置し、第2のシール部材を設けることにより、コーナー部分の微小リークをも完全に防ぐことができる。
Between the side surface of the
(第2の実施形態)
図5は、第2の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックの内部構造を示す上面図である。図5に示す燃料電池スタックが図1に示す第1の実施形態に係る燃料電池スタックと異なる点は、マニホールドシール部のみである。図1に示す燃料電池スタックでは、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側面との間のシール面は、燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシール面と同一平面上にある。これに対し、図5に示す燃料電池スタックでは、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側面との間のシール面は、燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシール面に対し、所定の角度、傾斜したテーパ面とされている。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a top view showing the internal structure of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the second embodiment. The fuel cell stack shown in FIG. 5 is different from the fuel cell stack according to the first embodiment shown in FIG. 1 only in the manifold seal portion. In the fuel cell stack shown in FIG. 1, the seal surfaces between the
図5のマニホールドシール部の拡大図を図6に示す。図6に示すように、燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシールは、図1及び図4に示すマニホールドシール部と同様であり、シール溝33aが設けられ、その中にシール62aが配置されているが、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22との間のシールのシール面は、燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシール面に対し、所定の角度、傾斜しており、即ち、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22とは、テーパ面で接している。図5に示すように、燃料ガスマニホールド31,32の傾斜したシール面にシール溝33cが設けられ、その中にシール62cが配置され、第2のシール部材が設けられている。
An enlarged view of the manifold seal portion of FIG. 5 is shown in FIG. As shown in FIG. 6, the seal between the
燃料電池スタック10の側面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22及び燃料ガスマニホールド31,32との間においては、図3に示すようなシール(第1のシール部材)により液体およびガスは許容値以下にシールされるが、シールの外側に露出するコーナー部からの微小リークは防ぐことができない。これに対し、燃料ガスマニホールド31,32のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側面との間においても、シール溝33cを設け、その中にシール62cを配置し、第2のシール部材を設けることにより、コーナー部分の微小リークをも完全に防ぐことができる。
Between the side surface of the
なお、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22との接触面をテーパ面とすることにより、燃料ガスマニホールド31,32と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22とを独立して燃料電池スタック10の側面に取り付けることが可能となり、それによって組立作業性が向上するという効果も得られる。
The contact surfaces between the
(第3の実施形態)
図7及び図8は、第3の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックのマニホールドシール部を拡大して示す断面図である。図1〜6に示す燃料電池スタックのマニホールドシール部では、燃料ガスマニホールド31,32及び酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22と、燃料電池スタック10の側面との間のシールは、燃料ガスマニホールド31,32及び酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側にシール溝23,33aが設けられ、その中にシール61,62aが配置されて、第1のシール部材によって行われている。
(Third embodiment)
7 and 8 are enlarged cross-sectional views of the manifold seal portion of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the third embodiment. 1 to 6, the seals between the
これに対し、図7に示す例では、酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22に接する燃料電池スタック10の側にシール溝73aを設け、その中にシール61を配置している。また、図8に示す例では、燃料ガスマニホールド31,32に接する燃料電池スタック10の側にシール溝73bを設け、その中にシール62aを配置している。
On the other hand, in the example shown in FIG. 7, a
また、図示しないが、燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシール、及び酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22と燃料電池スタック10の側面との間のシールの双方において、燃料電池スタック10の側にシール溝を設け、その中にシールを配置することも可能である。
Although not shown, both the seal between the
このような第3の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックにおいても、上述した第1の実施形態及び第2の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。 In such a polymer electrolyte fuel cell stack according to the third embodiment, the same effects as those of the first embodiment and the second embodiment described above can be obtained.
即ち、酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22及び燃料ガスマニホールド31,32と燃料電池スタック10の側面との間のシールを第1のシール部材により行うことに加え、燃料ガスマニホールド31,32のシール面と酸化剤ガス・冷却水マニホールド21,22の側面との間においても、シール溝を設け、その中にシールを配置し、第2のシール部材を設けることにより、コーナー部分の微小リークを完全に防ぐことができる。
That is, in addition to performing sealing between the oxidant gas / cooling
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、運転時の液体やガスだけでなく、停止保管中の電池スタック内の水の微小の滲み出しも防ぐことができる。 According to at least one embodiment described above, it is possible to prevent not only liquid and gas during operation but also minute oozing of water in the battery stack during stopped storage.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…燃料電池スタック、11…単セル電池11、12…膜・電極複合体(MEA)、13…燃料セパレータ、13a…燃料ガス流通路、14…酸化剤・冷却水セパレータ、14a…酸化剤ガス流通路、14b…冷却水流通路、21…酸化剤ガス入口・冷却水出口マニホールド、21a,33c…シール溝、22…酸化剤ガス出口・冷却水入口マニホールド、31…燃料ガス入口マニホールド、32…燃料ガス出口マニホールド、41…高分子電解質膜、42a…アノード触媒層、42b,43b…ガス拡散層、43a…カソード触媒層、51…エッジシール材、61,62a,62b,62c…マニホールドシール
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記積層体の前記燃料ガス流通路が開口する側面に配置され、前記燃料ガス流通路に連通する燃料ガス外部マニホールド、及び
前記積層体の前記酸化剤ガス流通路が開口する側面に配置され、前記酸化剤ガス流通路に連通する酸化剤ガス外部マニホールド
を具備し、
前記燃料ガス外部マニホールドと前記積層体とは燃料ガス外部マニホールド側第1のシール部材によりシールされ及び酸化剤ガス外部マニホールドと前記積層体とは酸化剤ガス外部マニホールド側第1のシール部材によりシールされ、前記隣接する燃料ガス外部マニホールドと酸化剤ガス外部マニホールドとは第2のシール部材によりシールされていることを特徴とする燃料電池スタック。 A membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between first and second gas diffusion electrodes, a first separator having a fuel gas flow passage in contact with the first gas diffusion electrode, and the second A laminate comprising a plurality of unit cells each having a second separator having an oxidant gas flow passage in contact with the gas diffusion electrode;
The fuel gas flow passage of the laminate is disposed on a side surface where the fuel gas flow passage is open, a fuel gas external manifold communicating with the fuel gas flow passage, and the oxidant gas flow passage of the stack is disposed on a side surface of the stack, An oxidant gas external manifold communicating with the oxidant gas flow passage,
The fuel gas external manifold and the laminate are sealed by a fuel gas external manifold side first seal member, and the oxidant gas external manifold and the laminate are sealed by an oxidant gas external manifold side first seal member. The fuel cell stack is characterized in that the adjacent fuel gas external manifold and oxidant gas external manifold are sealed by a second seal member.
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